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3D打印技术在医疗领域的应用

2019/6/20

3D打印技术在医疗领域的应用

       近年来,3D打印技术在生物医疗应用领域的研发已得到越来越多的关注,并取得了诸多成就。研究人员可根据不同患者的需求,采用3D打的个性化生物材料。在理论创新方面,提出了“生物印刷”的概念,即将3D打印技术和生物工程技术结合起来,将材料科学、生命科学与印刷技术相融合,为研究组织工程学在3D尺度上与人体器官和组织相似的三维实体相匹配进行精确控制提供了新的思路和方法。导电聚合物具有独特的电活性和导电性特点,不仅可用作药物、基因载体;在电刺激条件下,尚可调节细胞的豁附、迁移、增殖及分化等其他功能,在“生物印刷”技术中具有重要的研究意义。危岩及其课题组着重于导电聚合物材料的研发,取得了丰富的成果,并归纳了“生物印刷电子材料”技术的核心,即采用3D打印技术将具有电活性的材料制备成生物医用支架,继而在此支架上实现可以调控和优化的可控细胞和组织生长,最终获得有生物功能的新产品或新技术,以应用医学检测、诊断和治疗。这些成果对3D打印技术在医疗行业的发展产生了巨大的促进作用。


3D打印心脏模型


       随着3D打印技术的成熟,这项技术应用于临床医疗的案例频频曝出,不少患者从中受益。目前的应用情况来看,3D打印与医疗的结合点主要包括:手术预演模型、骨骼替换、假肢制作、牙科、组织器官打印等。本文将从这几个角度浅显地做一下介绍。

       手术预演模型:

       手术预演模型的制作一般是医院先通过CT、MRI(核磁共振)等造影设备扫描患者的患处组织或骨骼,获取DICOM格式二维数据并导入到Mimics等软件中进行三维重建,最终获得STL格式三维模型,并通过3d打印机打印出来。笔者最早接触到3D打印手术预演模型是大连优克多维和广州医科大学附属三医院完成的患者胎盘植入子宫切除术,目前,手术预演的案例已经越来越多,这种3D打印技术方案主要用于高难度的手术,在术前进行演练可以使得大夫在真正手术时更准确,缩短手术时间,减少出血量。在预演这个过程中,年轻的大夫或者学生也可以方面直观的学习和锻炼。


       骨骼替换:

       对于需要切除骨骼的患者来讲,这无疑是一个好消息。瑞士科学家首次实现了采用3D骨骼打印机精确复制人类拇指骨骼,这项技术突破为医生采用患者自己的细胞组织培育替换受损和患病骨骼开辟了新的途径。瑞士伯尔尼英塞尔医院的克里斯琴·温兰特(Christian Weinand)称,依据这种医学理论,可以培育出任何类型的骨骼。他在实验室老鼠背部成功地培育出自己身体上的替代骨骼,这与1997年美国马萨诸塞州总医院杰伊·瓦坎蒂(Jay Vacanti)从人类软骨细胞中培育出人类耳朵的方法是一样的。

       目前科学家在这项医学技术中溶入了新的方法,首先,要对需要复制的骨骼进行3D成像,如果这块骨骼丢失或者严重受损,你可以对身体上的“孪生骨骼组织”进行镜像3D成像。比如:患者的左手拇指被切断并且丢失,那可以对右手拇指进行3D拍照成像。获得的3D成像输入3D打印设备,进而形成3D目标的实体化。这类技术同样要用到上面讲的CT扫描,三维重建技术,再使用金属3D打印机打印出钛合金骨骼。


       假肢制作:

       每一位残疾人对于假肢的需求都是不同的,因此每个假肢的制造过程也非常个性,导致假肢的成本较高。而3D打印机的出现就是为了解决这些个性化制造的问题。近年来,由于3D打印技术的推广,用3D打印机制作假肢已经成为可能。2014年,美国佛罗里达大学博士生就曾经为一位孩子安装了3D打印机制作的义肢。相比于正常义肢十万元左右的高昂费用,3D打印技术生产的义肢只花费不足千元,而义肢程序也已在互联网被分享,可免费下载。义肢又称为“滑索”,是因为用专业3D打印机打印后,还要一钉一铆地进行组装,然后安装弹力绳装置,对各个部件弹力绳以及绳索的张力不断反复修改调试,并制造出一个灵活的传送装置,让受体可以利用手腕力量,将绳索传送到可以活动的机械手指,帮助佩戴者完成简单的握持动作。


       牙科应用:

       3D打印在牙科领域的应用一直是人们关注的热点,目前分为几个部分:3D打印金属牙齿、隐形牙套、金属种植体、导板等。3D打印技术在牙科中的应用一般也都需要结合扫描技术,例如口腔扫描仪、普通扫描仪甚至CT设备等。对于需要安装假牙的客户,先需要对口腔进行扫描,根据扫描的数据结果设计需要打印的牙齿,然后使用金属3D打印机打印牙齿,再在金属假牙上烤瓷和染色,就可以进行最后一步安装了。笔者曾在北京航星利华见过德国Concept laser 金属打印机制作的钛合金牙齿。


       对于需要矫正牙齿的客户,传统的牙齿矫正使用金属制成的托槽来引导牙齿移动,矫正过程非常痛苦,而且非常难看。“钢牙妹”往往成为影视剧中被调侃的对象,也让逐渐步入社会的大学生和白领们望而却步。隐形牙套恰恰满足了这些人的需求,通过3D技术制作很多副牙套,每一到两个星期更换一副,逐步的实现牙齿矫正。值得注意的是,佩戴的隐形牙套并不是3D打印机直接打印的,而要经过热压成型等工艺,进入口腔的材料需要经过FDA等认证。

       3D打印种植体是对传统种植体的一大变革,传统的种植牙手术过程是拔完牙,拿电钻钻个洞,然后将螺旋体拧进去。这样做的弊端是钻孔时会破坏好的骨头,如果三颗牙齿比较近,钻洞可能会把旁边两颗牙齿磨坏。另外一个关键问题是每个人的每颗牙都不一样,牙根也都不一样,市面上通用的螺纹型产品欠缺针对个体病例的个性化产品。而用3D打印技术,按照患者牙根的形状,直接打印出种植体。这样拔完牙,就直接放过去,不需要在牙槽骨上打洞,不会破坏病人的骨头,达到即刻种植的效果。在种植牙的过程中还需要用到另外一个东西,那就是手术导板。通过3D打印个性化定制的手术导板,医生能在手术前将其放置在患者的牙床,精准标出手术过程所需的角度和深度,从而确保种植体的准确植入,同时可以省去由外包制作手术导板而产生的费用。

       组织器官:

       3D打印器官组织想必是3D打印在医疗、生物领域的重要应用了,或许未来器官移植将变得不再这么艰难,更多人的生命可以得到挽救,而打印出一个活人也成为人们正在幻想的目标。目前科学界和企业界对于生物3D打印主要集中在鼻子、耳朵、血管、肾脏、心脏、皮肤、眼角膜、半月板等,据调查,美国排队等候器官移植的病人中,有80% 的病人等待的器官是肾脏。目前通过生物打印方法制造的肾脏仍然无法发挥肾脏的功能,但一旦它们开始发功能,医生们有望使用病人自己的细胞培育出能与身体其他部位匹配的器官。


3D打印会“呼吸”的肺

       要促进3D打印在医疗行业的广泛应用,还有以下几点要做,一要鼓励发展拥有自主知识产权的3D打印机和专用配套材料,二是加强计算机辅助设计人才的培养,三是政策上的支持,比如鼓励使用并推广这项新技术,同时严控质量,包括完善医疗器械监督管理条例,加强行业管理和规范,鼓励创新和临床转化。现有的医疗器械管理条例于2000年开始执行,当时并无涉及3D打印的规定,这势必会影响3D打印技术更好的为病人服务,值得引起更大的关注。而汪祥艮认为,目前3D打印在医学行业面临的最大挑战就在于传播和教育,新技术的应用需要从传统技术慢慢过渡并逐步适应,与传统技术相辅相成,需要人们不断看到该技术的优势。因此,希望继续加大对医疗行业和公众的宣传及培训教育。同时MikeRenard则表示,中国要更好地在医疗行业采用3D打印技术并支持相关产业的增长,需要做到三点:首先,确保对于该项技术的控制和知识产权保护;其次,促进国家食品药品监督管理局与欧美主要国家政府监管机构之间的合作;最后,建立清晰的回报预期,使技术拥有者在将具有经济可持续性和能为社会和医保系统产生价值的技术引进到中国后,能够基于准确的信息来作出决定。